爆炸活塞式高速開關(guān)的分析與設(shè)計(jì)*

陳 搏 莊勁武 楊 鋒

(海軍工程大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院 武漢 430033)

隨著現(xiàn)代電力系統(tǒng)容量的增加,電力系統(tǒng)中常用的機(jī)械式斷路器存在著分?jǐn)嗨俣嚷?、額定容量小、體積大、造價(jià)高等缺點(diǎn),已經(jīng)不能滿足電力系統(tǒng)短路保護(hù)的需求,迫切需要研制新型自動(dòng)保護(hù)裝置[1].近來一類爆炸式高速開關(guān)成為國際上的研究熱點(diǎn).這種開關(guān)將少量炸藥安裝在主載流體內(nèi)部或附近,短路時(shí)由檢測判斷裝置發(fā)送點(diǎn)火信號引爆炸藥,利用炸藥爆炸釋能功率大的特點(diǎn),在極短的時(shí)間內(nèi)使主載流體斷開,迫使短路電流轉(zhuǎn)移到旁路并聯(lián)熔斷器,熔斷器在極短時(shí)間內(nèi)熔斷后,徹底切斷短路電流,總分?jǐn)鄷r(shí)間通常在1 ms左右.由于分?jǐn)嗨俣瓤?這類開關(guān)能將短路電流限制在遠(yuǎn)小于預(yù)期短路電流的水平上,從而起到限流保護(hù)作用.主載流體的設(shè)計(jì)是這類爆炸式高速開關(guān)的關(guān)鍵技術(shù),決定了開關(guān)的容量、分?jǐn)嘈阅?、體積和成本.目前國際上常見的爆炸式高速開關(guān)主載流體主要有3種形式[2-3]:(1)ABB德國Calor Emag分公司開發(fā)的Is-limiter·;(2)美國G&W電氣公司開發(fā)的CLiP·(Current Limiter Protector);(3)法國FERRAZ公司開發(fā)的限流開斷器.

基于以上考慮,筆者從采用炸藥驅(qū)動(dòng)活塞撞斷主載流體的方式獲得啟發(fā),試制了一型爆炸活塞式高速開關(guān),以期獲得更優(yōu)效果.

1 爆炸活塞式高速開關(guān)的設(shè)計(jì)

1.1 爆炸活塞式高速開關(guān)的結(jié)構(gòu)與原理

如圖1所示,該爆炸活塞式高速開關(guān)主載流體主要由爆炸氣缸,氣缸蓋、活塞、動(dòng)觸頭、靜觸頭、動(dòng)觸頭保護(hù)鋼片、特制壓緊螺栓和絕緣固定架等組成.爆炸氣缸內(nèi)裝填一定量的黑索今炸藥,當(dāng)電路發(fā)生短路時(shí),由檢測判斷裝置發(fā)出信號引爆炸藥,驅(qū)動(dòng)活塞向下運(yùn)動(dòng).動(dòng)、靜觸頭采用純銅材料并表面鍍銀,動(dòng)觸頭保護(hù)鋼片用于保護(hù)動(dòng)觸頭不被活塞撞壞.特制壓緊螺栓是用普通螺釘在中部削出一小段細(xì)頸制成的,開關(guān)閉合狀態(tài)下,4根壓緊螺栓起壓緊動(dòng)靜觸頭的作用,開關(guān)動(dòng)作時(shí),在活塞桿強(qiáng)力推動(dòng)下,4根特制螺栓從細(xì)頸處快速斷裂,實(shí)現(xiàn)動(dòng)靜觸頭的分離.

與法國FERRAZ公司開發(fā)的采用炸藥驅(qū)動(dòng)活塞撞斷主載流體的方式相比,爆炸活塞式高速開關(guān)最大的優(yōu)點(diǎn)是把斷裂點(diǎn)由動(dòng)靜觸頭連接處轉(zhuǎn)移到了壓緊動(dòng)靜觸頭的特制螺栓細(xì)部,這個(gè)改進(jìn)簡化了加工工藝,降低了開關(guān)動(dòng)作后不可回收利用部分的成本.

圖1 爆炸活塞式高速開關(guān)結(jié)構(gòu)簡圖

裝置的設(shè)計(jì)分3個(gè)步驟進(jìn)行:(1)先根據(jù)額定通流量選擇合適的觸頭和特制螺栓的結(jié)構(gòu)尺寸,保證開關(guān)工作時(shí)溫升符合要求;(2)根據(jù)特制螺栓開斷所需要的力選擇合適的炸藥量;(3)根據(jù)炸藥量設(shè)計(jì)氣缸和氣缸蓋的強(qiáng)度.每個(gè)環(huán)節(jié)都留有適當(dāng)?shù)挠嗔?

1.2 通流能力設(shè)計(jì)

爆炸活塞式高速開關(guān)在額定電流下的穩(wěn)定溫升是一個(gè)非常重要的指標(biāo),溫度過高會(huì)使絕緣連接件老化而導(dǎo)致絕緣降低,尤其對于本裝置而言,溫度過高會(huì)加速炸藥的分解.通常,溫度每增加10℃,炸藥和起爆藥的分解速度增加約2～4倍,這將使裝置的使用壽命大大降低.因此必須設(shè)計(jì)合理的結(jié)構(gòu)以控制裝置各個(gè)部位的溫升.

首先參照銅母線的通流能力選擇動(dòng)靜觸頭的截面積.觸頭間接觸電阻是影響溫升的重要因素,通過增加特制螺栓的預(yù)緊力可以減小觸頭間接觸電阻,從而減小溫升.預(yù)緊力與接觸面積的關(guān)系可近似用Bowden和Tabor給出的公式表示[4]

式中:Ac為實(shí)際接觸面積;Fk為預(yù)緊力;H為接觸對中較軟一方的硬度.

假設(shè)接觸點(diǎn)集中在一個(gè)圓形斑點(diǎn)上,則

式中:a為接觸半徑,又稱霍姆半徑.

接觸電阻由縮流電阻和膜電阻組成,接觸壓力較大時(shí),膜電阻可以忽略不計(jì),接觸電阻主要是縮流電阻,可以按照霍姆公式計(jì)算[5]

式中:Rc為接觸電阻;ρ為接觸對平均電阻率.

根據(jù)預(yù)緊力計(jì)算出接觸電阻后,使用ANSYS軟件進(jìn)行熱電耦合仿真,可以比較準(zhǔn)確的得到裝置各個(gè)位置的溫升情況,之后應(yīng)進(jìn)行溫升試驗(yàn)進(jìn)行校核.

基于仿真結(jié)果依據(jù)國標(biāo)對各部位溫升的要求和炸藥的耐熱性對特制螺栓預(yù)緊力以及裝置的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì).特制螺栓在緊固時(shí)應(yīng)使用轉(zhuǎn)矩扳手,通過控制擰緊轉(zhuǎn)矩來控制預(yù)緊力,并防止螺栓細(xì)頸被拉斷.

以380 V/2 000 A直流裝置為例,采用4根M8螺栓制成中間細(xì)部直徑3.0 mm的特制螺栓,調(diào)節(jié)預(yù)緊力約8 kN,可保證觸頭溫升不超過70 K,裝藥位置溫升不超過15 K.

1.3 炸藥量的計(jì)算

雷管和炸藥用來產(chǎn)生開關(guān)分?jǐn)嗟尿?qū)動(dòng)力.雷管采用小型號的電雷管,主要起引爆炸藥的作用,本身爆炸威力很小,可以忽略不計(jì).炸藥選用特制的黑索今炸藥,它具有爆速高,爆熱大的特點(diǎn),并經(jīng)鈍化處理降低了感度,提高了安全性和壽命[6].在這里使用非常合適.

黑索今的分子量是222.12,根據(jù) Mallard-Lechatelier法確定的黑索今爆炸的化學(xué)方程式是[7]

完成通流能力設(shè)計(jì)后,需要根據(jù)特制螺栓細(xì)頸的直徑設(shè)計(jì)恰能使之?dāng)嗔训呐R界藥量.炸藥的爆轟過程是一個(gè)非常復(fù)雜的物理-化學(xué)過程,對其進(jìn)行精確的計(jì)算難度很大,這里提出一種簡化的計(jì)算方法,經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證具有足夠的準(zhǔn)確性,能夠滿足此處的設(shè)計(jì)需要.

假設(shè)炸藥爆炸后在爆炸小室內(nèi)瞬間產(chǎn)生均勻的高壓氣體,根據(jù)由л.н.希什科夫?qū)С龅墓?爆炸產(chǎn)生高壓氣體的壓強(qiáng)可按下述方法計(jì)算

式中:p為生成氣體的壓強(qiáng);F為炸藥力,表示單位質(zhì)量炸藥的作功能力,J/kg;Δ為裝填密度,kg/m3;R為氣體常量,R=8.314 J/(mol?K);T為炸藥的爆溫,K;黑索今的爆溫為3 700 K;M為炸藥的質(zhì)量,kg;V為爆炸小室的容積,m3;α為爆炸產(chǎn)物的余容(參見范德華爾斯氣體狀態(tài)方程),即單位質(zhì)量炸藥爆炸氣體產(chǎn)物的分子總體積與固體產(chǎn)物體積之和,m3/kg,根據(jù)黑索今爆炸的化學(xué)方程式,黑索今爆炸沒有固體產(chǎn)物,每1 mol黑索今產(chǎn)生9 mol氣體,氣體分子體積約為氣體在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下體積的1/1 000;因此,

n為單位質(zhì)量炸藥產(chǎn)生的氣體的物質(zhì)的量,mol/kg

據(jù)此可得

然后,再計(jì)算高壓氣體對活塞產(chǎn)生的推力

式中:S為活塞受力截面積,m2.忽略摩擦阻力,推力N1完全用于克服4根特制螺栓的抗拉力N2

式中:σb為螺栓材料的抗拉強(qiáng)度,Pa;D為特制螺栓細(xì)部直徑.當(dāng)N1＞N2時(shí),炸藥即可驅(qū)動(dòng)活塞頂斷壓緊螺栓,實(shí)現(xiàn)觸頭分離.

以直流380 V/2 000 A的某套裝置為例,計(jì)算的臨界斷裂炸藥量為240 mg,試驗(yàn)中取300 mg藥量時(shí)實(shí)現(xiàn)了觸頭分離,而取200 mg時(shí)未實(shí)現(xiàn)觸頭分離,驗(yàn)證了上述計(jì)算方法的準(zhǔn)確性.

1.4 爆炸氣缸、氣缸蓋及活塞的設(shè)計(jì)

炸藥量確定以后,需要設(shè)計(jì)爆炸氣缸、氣缸蓋的厚度,使之具有足夠的強(qiáng)度而不被炸斷、損壞或者變形.可采用有限元顯式動(dòng)力分析軟件ANSYS/LS-DYNA進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真輔助設(shè)計(jì)[8].

為節(jié)省仿真的建模時(shí)間和計(jì)算時(shí)間,必須對模型進(jìn)行合理的簡化.本模型僅考慮爆炸氣缸及氣缸蓋、活塞、炸藥、空氣44個(gè)部分,仿真模型如圖2 a)所示,模型中的四個(gè)部分各定義為一個(gè)PART,均采用solid164單元類型.在算法選擇上,采用歐拉-拉格朗日耦合算法(ALE),其中炸藥和空氣使用歐拉算法,爆炸氣缸-氣缸蓋、活塞使用拉格朗日算法.

由于模型是軸對稱結(jié)構(gòu),為節(jié)省計(jì)算時(shí)間,僅建立1/4模型,計(jì)算完畢再進(jìn)行鏡像對稱輸出結(jié)果.約束定義中,爆炸氣缸低面使用全自由度約束,限制它的運(yùn)動(dòng),對稱邊界面進(jìn)行對稱約束,炸藥部分采用0.1 mm尺寸劃分網(wǎng)格,其他部分采用0.2 mm 尺寸劃分網(wǎng)格.仿真時(shí)間100 μ s,步長0.5 μ s.

由于黑索今長期放置會(huì)發(fā)生部分分解,實(shí)際裝置中必須裝填多于能使觸頭分離臨界藥量的黑索今,為保證足夠的可靠性,可選擇臨界藥量的2倍作為裝填藥量.以裝填藥量進(jìn)行仿真建模,不斷調(diào)整氣缸壁的厚度,尋找氣缸不發(fā)生明顯變形的合適厚度.

圖2 仿真模型爆炸前后的對比

同時(shí)在仿真中發(fā)現(xiàn),高壓爆轟波可使活塞底面發(fā)生變形而陷入氣缸壁中,從而阻礙了活塞的運(yùn)動(dòng).后經(jīng)試驗(yàn)證實(shí)了這一現(xiàn)象,由于變形只發(fā)生在活塞底部區(qū)域,因此只需在活塞底部做一倒角(見圖1),即可解決問題.

仍以額定值直流380 V/2 000 A的裝置為例,取600 mg裝填藥量,仿真結(jié)果得,氣缸壁厚度應(yīng)選擇為10 mm.

2 爆破試驗(yàn)

爆破試驗(yàn)是對裝置爆破性能的檢驗(yàn).設(shè)計(jì)了如圖3所示的試驗(yàn)測量方案.

圖3 爆破試驗(yàn)測量裝置原理圖

測量裝置中,由動(dòng)靜觸頭與10 kΩ電阻R,9 V干電池U串聯(lián)組成回路,測量電阻電壓,在動(dòng)觸頭正下方10 mm處安置兩片銅片,與動(dòng)靜觸頭并聯(lián),當(dāng)點(diǎn)火爆炸后,動(dòng)觸頭與靜觸頭分離,然后經(jīng)過一段很短的時(shí)間后動(dòng)觸頭接觸到銅片,可根據(jù)R上電壓的變化來獲得動(dòng)靜觸頭分離時(shí)刻及動(dòng)觸頭接觸兩片銅片的時(shí)刻,從而也可推算出動(dòng)觸頭分離初始階段的平均速度.

直流380 V/2 000 A裝置樣機(jī)的試驗(yàn)照片和波形如圖4.從波形圖中可以看出,點(diǎn)火后,600 mg藥量下,分?jǐn)鄷r(shí)間116ms,分離后10mm開距內(nèi)平均速度8.5 m/s.可見,裝置具有迅速有效切斷主回路的能力.

圖4 爆破試驗(yàn)波形圖

3 結(jié) 論

1)從法國FERRAZ公司開發(fā)的限流開斷器獲得啟發(fā),設(shè)計(jì)了一種新型爆炸活塞式高速開關(guān),它繼承了限流開斷器裝藥部位溫度低的優(yōu)點(diǎn),同時(shí)通過把斷裂部位從觸頭改變?yōu)樘刂坡菟ㄖ胁考?xì)頸,降低了使用成本.

2)使用ANSYS熱電耦合仿真對裝置額定電流下的穩(wěn)態(tài)溫升進(jìn)行分析,設(shè)計(jì)了合理的結(jié)構(gòu)和合適的觸頭預(yù)緊力,根據(jù)預(yù)緊力計(jì)算得特制螺栓細(xì)頸的直徑.

3)給出了炸藥量的計(jì)算方法并得到了特制螺栓細(xì)徑斷裂所需的最小藥量,并通過試驗(yàn)驗(yàn)證.

4)利用LS-DYNA對裝填藥量對應(yīng)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行了仿真計(jì)算,并通過試驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證.

5)該裝置距離實(shí)用化尚有較大差距,仍需在整體電氣性能、結(jié)構(gòu)緊湊性及經(jīng)濟(jì)性等方面做進(jìn)一步的分析和設(shè)計(jì).

[1]莊勁武,徐國順,張曉鋒,等.多相發(fā)電機(jī)整流供電系統(tǒng)短路限流裝置設(shè)計(jì)與分析[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào):交通科學(xué)與工程版,2006,30(2):194-197.

[2]李品德.一種實(shí)用化的混合式高壓限流開斷器[J].西北電力技術(shù),2000,28(2):24-25.

[3]DTI.Development of a saffty case for the use of current limiting devices to manage short circuit currents on electrical distribution networks[R].UK,2004.

[4]Bowden F P,Tabor D.Friction and lubrication of solids[M].Vol II.Oxford:Oxford University Press,1964.

[5]榮命哲.電接觸理論[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2004.

[6]陳厚和,諸呂鋒,孟慶剛,等.一種用于強(qiáng)電流環(huán)境的鈍感炸藥與應(yīng)用[J].含能材料,2005(12):60-62.

[7]歐育湘.炸藥學(xué)[M].北京:北京理工大學(xué)出版社,2006.

[8] 史黨勇,李裕春,張勝民.基于ANSYS/LS-DYNA8.1進(jìn)行顯式動(dòng)力分析[M].北京:清華大學(xué)出版社,2005.